CN1066644C - 表面沾污物的清除方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种从衬底表面清除表面沾污物的设备和方法，其在衬底表面(12)上方提供一个惰性气体(18)的片流，同时对衬底进行辐照。本发明使得能够清除表面沾污物而不改变下方衬底的分子晶体结构。高能辐射源包括脉冲或连续波激光器或者高能灯。

Description

表面沾污物的清除方法和设备
发明的背景
本申请要求1993年4月12提交的申请号为NO.08/045,165的美国专利申请的优先权，后者是1992年3月31日提出的申请号为07/865,039的美国专利申请案的部分后继申请，该申请号为07/865,039的美国专利申请是1990年11月9日提出的申请号为07/611,198而现为美国专利5,099,557的美国专利申请的部分后继申请，该美国专利5,099,557本身又是1988年7月8日提交的申请号为NO.07/216,903而现为美国专利NO.5,024,968的美国专利申请的分案申请。此处将这些美国申请结合进来作为参考。
本发明涉及到从表面清除沾污。更确切地说是涉及到用辐照的方法来从衬底表面清除沾污而不改变被处理表面的分子晶体结构。
此处所用的术语“沾污”，包括颗粒、薄膜以及不希望有的化学元素或化合物。沾污颗粒可以是尺寸从亚微米到肉眼可见的细粒的分立物质。沾污薄膜可以是有机的或无机的，它包括诸如来自指纹的人体油。沾污化学物包括清洗工序执行时不希望有的各种元素或化合物。例如，羟族(-OH)在某一工序阶段可以是一种所需的衬底表面反应助催化剂，而在另一工序阶段可能是一种不希望有的沾污物。
沾污物可能借助于弱共价键、静电力、范德瓦尔斯力、氢键、库仑力或耦极子-耦极子相互作用力而粘合到表面上，致使得难以清除。
在某些情况下，表面沾污的出现使被沾污的衬底不好使用或甚至无法使用于衬底的特定目的。例如，在某些精密科学测量器件中，当器件中的光学透镜或平面镜被微细的表面沾污物覆盖时，其精度就受到损失。同样在半导体中，由少量分子沾污物造成的表面缺陷常常使半导体掩模或芯片变得毫无用处。在石英半导体掩模中即使少许降低分子表面缺陷的数量，也可以大大改善半导体芯片的成品率。同样，在片子上沉积电路层之前或在各层沉积之间从硅片表面清除掉诸如碳或氧的分子表面沾污物，也可显著地改善制得的计算机芯片的质量。
而且，在生产过程中最终沾污硅片的大部分残渣来自于诸如片子所在的工艺室和向工艺室引入工作气体的管道等生产设备。因此，周期性地清洗这些设备就能够显著地降低生产过程中片子所受的沾污水平。
对于即使最细的沾污物也不存在的洁净表面的需求已导致开发了各种各样的表面清洗方法。然而正如下面所述，这些已知的方法中的每一种都存在着严重的缺点。下列各工序涉及到向衬底表面引入外部试剂。湿法化学清洗工艺-RCA工序
RCA工序现用于半导体制造、平板显示器制造和磁盘介质制造中。RCA工序有二个变种即SC-1和SC-2(其中SC=标准清洗)。通常，SC-1工序用来清除痕量的有机物和颗粒。它由氢氧化铵(NH4OH)水溶液、过氧化氢(H2O2)和水(H2O)的相继洗浴构成。SC-2工序用来清除痕量金属并形成薄的氧化物钝化膜以使硅或类似的表面亲水。它由盐酸(HCL)水溶液、过氧化氢和水的相继洗浴组成。在制造实践中，各液浴连续但缓慢地更新，致使例如相继的各批片子暴露于前批的颗粒中。这些沾污物就重新沉积在表面上。
为使RCA工序可用来清除小至0.2μm的颗粒，已进行了大量的研究。由于即使是新鲜的化学品也能具有多达每升10000个0.5μm或以下的颗粒(这相当于每125mm/片子具有10个颗粒的几率)，故这些液体在清除0.3μm以下尺寸的颗粒中已接近它们的物理极限。(见C.M.Osburn,R.P.Donovan,H.Berger,G.Jones,J.Environ.Sci.,1988年3月/4月,P45)。
工业界专家也已指出湿法化学洗浴可在硅上引起氧化物的形成，引起表面的微观粗糙化，并引起来自有机化合物和金属元素(如铁、铜、铝和镁)的沾污物且又溶解于浴液中。(见M.Itano,M.Miyas-hita,T.Ohmi,Microcontamination 91论文集，1991年，P521和T.Shinono,M.Tsnji,M.Morita,Y.Muramatu，同上，P544)。稀释氢氟酸
最近已将稀释的氢氟酸(HF)用于半导体工业来清除有机沾污物、痕量金属沾污和薄的自然氧化膜。但HF引起衬底表面的微腐蚀，这又引起控制中的困难和关键因素。残留的氟分子还会引起栅结构中的氧化物击穿并对芯片的其它电学参数起不良作用。Ohmi等人最近报道，为了控制HF的微观粗糙化，必须严格控制液体的PH值、使超纯水处于温度控制中而且须采用超纯化学品以防止沉积不希望有的诸如Fe和Cn这样的金属。(见M.Itano,M.Miyashita,T.Ohmi,Microcontamination 91论文集，1991年，P521；和T.Shinono,M.Tsuji,M.Morita,Y.Muramatu，同上，P544)。强声(megasonic)和超声清洗
1979年由RCA发展了强声清洗工艺以实现RCA湿法化学工序来清除有机膜和颗粒。在强声工序中，片子被例如浸入水、酒精或稀释的SC-1溶液中并暴露于压电换能器产生的850-900KHz的声波中。采用2-5W/cm2的输入功率密度可有效地清除从数μm到0.3μm的颗粒。(见W.Kern,J.Electrochem.Soc.,137(6)，1990年，P1887)。已确认强声工序能清除小到0.3μm的颗粒，而且已展示过在0.5μm线宽情况下，在获得可接受的清洗效率所必须的功率电平下，能够容易地剥离金属线。(见A.A.Busnania,I.I.Kaskkoush,Microcontamination92,1992年，P563)。这样，对于更小的几何尺寸，强声就会破坏器件。
超声清洗的工作原理同强声工序相同，但采用的液体空化频率的范围为20-80KHz，而且功率密度比强声工序大50倍。在清除1μm以下颗粒过程中，超声方法的效率较差(W.Kern,J.Electrochem.Soc.,137(6)1990年，P1887)。
超声和强声清洗二者的工作原理都是在颗粒下面引入空化液体媒质以便流体静力将颗粒从表面释放。对0.1μm颗粒的范德瓦尔斯力和二阶粘合力估计为108达因。强声清洗所施加的力为103达因数量级，这就解释了它为什么不能清除小于0.3μm的颗粒。(见M.Ranada,Aerosol.Sci.and Technol.7,1987年,P161)。紫外和臭氧清洗
紫外/臭氧(UV/O3)清洗工序使用能释放185-254nm范围的能量的汞灯或汞/氙灯。已证实此法可相当有效地清除诸如光抗腐剂之类的残余有机膜，但不能清除盐分、尘埃、指纹和被臭氧劣化了的聚合物。需要注意的是表面上残留的过氧化物分子和挥发性羟基族可以使表面从疏水性改变为亲水性，这可以引起后续粘合工艺问题，而且也会从后续清洗工序中吸引不希望有的沾污物。臭氧根据表面情况可能引起不希望有的氧化物的形成，这又需要另一个清洗工序来清除。最后，为了真正有效，UV/O3要求预清洗工序来清除无机物。(见J.R.Vig,J.Vac.Sci.Technol.A.3(3)，1985年，P1027)。刷扫清洗
已发现用去离子水或碱溶液进行刷扫清洗是一种从表面上清除小至1.0μm的颗粒的有效方法，刷扫清洗已在半导体工业中具有具体的适当用途，例如在化学机械抛光之后清除残渣的最终清洗。为了防止表面损伤和刷扫材料脱落，需要仔细控制刷扫材料和表面上刷子的位置。(见W.Kern,J.Electrochem.Soc.,137(6)，1990年，P1887)。气相氢氟酸
集束设备系统的出现已导致对气相HF用作清洗剂的研究，这是由于湿法化学机械系统实际上不可能组合到集束设备中。为防止工艺和设备引起的沾污，在各关键工艺步骤之前和之后都要求清洗片子。由于现有的各种清洗技术不是化学清洗就是机械清洗，故为了清洗须将片子取出集束环境，这就失去了集束系统的许多优点。
已进行研究来使气相HF清洗组合到集束设备的部件中去。Genus公司已宣布一种能够组装到集束系统中的部件(原由Advant-age Production Technology公司所开发)。SEMATECH的一份报告指出HE蒸汽腐蚀不可控并且引起严重的微观粗糙化。(见B.VanEck,S.Bhat,V.Menon,Microcontamination 92,1992年，P.694)。
HE的控制已成为关键问题。Genus已研究过采用下列气相试剂组合：UV/O2；UV/Cl2/H+；UV/Cl2/H2。实验结果表明当系统像现在这样组构时，采用这些特定的气相试剂时，腐蚀速率是不可控的。从这些研究利用气相HE来提高CMOS栅结构的有限成品率的实验中还显现出栅氧化物的劣化。(见J.delarios,W.Krusell，D.Mckean,G.Smolinsky,S.Bhat,B.Doris,M.Gordon，论文集Microcontamination 92,1992年，P706)。需要注意的是表面上残留的氟化物、氯化物和氢化物离子以及这些离子为什么会使参数性能变坏或为什么会引起后续的工序问题。超临界流体清洗
超临界流体技术由采用悬浮微粒中的冻结气体(诸如氩)颗粒而组成。(见W.T.McDermott,R.C.Ockovic,J.J.Wu,R.J.Miller,Microcontamination,1991年10月，P33；K.S.Schumacher,SEMI超净制造会议论文集，1993年，P.53；E.Bok,Solid State Technology，1992年6月，P117)。此工艺的基础是动量从带有氩颗粒的高速气流转移到表面颗粒。当气体在0.68大气压下被冷却到84K(-184℃)的温度时，氩凝固并形成悬浮微粒。氩颗粒对表面的冲击将能量转移到表面颗粒，它又在冷却气体气流中被清除。关于此技术的使用包括对片子的热冲击、亚表面离子迁移、表面结构损伤和电学参数损伤。至今未见发表有关完整地加工片子以研究超临界媒质是否会引起电学参数损伤的研究结果。激光增强液体清洗
另一个已知的工艺是采用激光超加热的液体。此技术有二个变种：Allen工艺和Tam工艺。
Allen工艺：Allen工艺(见美国专利NO.4,987,286和S.Allen,Appl.Phys.Lett.,58(3),1991年，P203)是一种采用水和波长为1064nm的CO2激光器作为热源的湿法清洗技术。水必须渗透到颗粒和衬底表面之间的空隙之中，当水被激光脉冲迅速加热时，水爆炸性地蒸发而使颗粒被推离衬底。
已注意到Allen工艺的一些潜在问题。在图形化了的片子上，水能够渗透到金属线下面，当水蒸发时，水会将金属线剥离，这不仅损伤电路而且还在表面上产生颗粒。如Allen所述，采用一个能量流为30J/cm2的窄聚焦CO2激光器，由于大多数有机物、聚合物和金属膜在20J/cm2下很易被烧蚀，从而会引起图形化表面的烧蚀效应为了提供一个指向性偏向以便将颗粒带离表面并避免重新沉积，Allen提议依靠重力而将衬底垂直地安装或翻转安装。作为一种变通，她提议从供气管将气流引导横穿表面以带走颗粒。
Tam工艺：Tam工艺(见W.Zapka，W.Zemlich,A.C.Tam,Appl.Phys.Lett.,58(20),1991年，P2217和A.C.Tam等人，J.Appl.Phys.，71(7)1992年，P3515)同Allen工艺很相似。Tam工艺采用乙醇和异丙醇之类的醇类以及水。此工艺不同于Allen工艺之处在于它使用通过工作室的受热氮气的爆发来扩展液体媒质；然后紧跟一个Ir：YAG激光脉冲。此过程重复几个周期。采用醇类时，为清除颗粒需要5J/cm2的能量密度，但可观察到表面损伤。Tam曾使用乙醇和能量流大于350mJ/cm2的KrF染料激光器来清除0.35μm的Al2O3小球，但在没有液体媒质的大气条件下他未能成功。其它工艺
加压液体射流清洗使颗粒易于清除，但由于清洗液维持的高压而有损伤被处理表面的危险。而且，由于在清洗液中有离子，此法可能对被处理表面造成静电损伤。同时，可剥离的聚合物会使聚合物残渣在被处理的表面上沉积也可能沾污表面。
其它已知的衬底表面清洗方法都避免使用外部试剂。这些工艺包括：表面熔化
此工艺要求熔化被处理表面以释放沾污物然后依靠超高真空将它们清除。这法的缺点是被处理的表面必须基本上被熔化。当例如在沉积不同电路层的工序之间清洗半导体表面时，这种熔化可能是不希望有的，而且希望原已沉积层的完整性不被扰乱。而且，诸如在管道和片子加工室中所见到的那种清洗昂贵及不规则表面，这种操作即便不是不可能实现，也是很困难的。最后，此工艺中所用的超高真空设备也是昂贵而操作费时间的。退火
退火处理方法也有相似的缺点。当用退火方法清洗表面时，被清洗处理的衬底表面通常被加热到低于被处理材料的熔点的温度，但此温度高得足以引起材料分子晶体结构发生重构。被处理的表面保持在这一高温下经历一段时间，此时表面分子晶体结构被重构，沾污物则被超高真空清除。当希望保持衬底表面的分子晶体结构时，不可使用退火清洗方法。烧蚀
另一种正被采用的清洗方法称为烧蚀，它有其自身的特殊缺点。采用烧蚀方法时，表面或表面上的沾污物被加热到蒸发点。根据被烧蚀材料的不同，此材料可能在蒸发之前熔化或者直接在加热时升华。采用烧蚀清洗技术时，如果要防止损伤被处理表面，则必须将烧蚀能量准确地只加于沾污物上而不能加到沾污物所在的表面上，当沾污物很小或随机分布时，或者当被处理表面形状不规则时，这是一个很困难的任务。即使烧蚀能量能够成功地只加于沾污物，也难以使沾污物蒸发而不损伤下方的被处理表面。
采用熔化、退火和烧蚀方法的表面清洗可用激光能源来进行。然而，采用激光能源靠熔化、退火或烧蚀来从表面清除沾污物，并不能克服这些工艺的固有缺点。例如，在美国专利NO.4,292,093“用激光辐照生产原子清洁晶体硅和锗表面的方法”中，所公开的激光退火法要求真空条件以及足以引起被处理表面发生重构和熔化的能量水平。涉及熔化或退火的其它已知的激光表面清洗方法，如同美国专利NO.4,181,538和NO.4,680,616所公开的那样，都要求与其类似高的能量激射和真空条件。美国专利NO.3,4 64,534“激光擦除装置”所公开的激光烧蚀技术也有同其它高能烧蚀方法相类同的缺点。
最后沉积在片子表面上的沾污物的一个来源是用来加工片子的设备。降低加工设备带来的沾污物的主要方法是执行设备的周期性大清洗，这通常包括将设备拆卸并耗费人工地检查多个部件。但大清洗工序中的阶段性清洗方法可以减少这种大清洗的频度。
有一种这样的阶段性清洗方法是用惰性气体冲洗安装有设备的工作室，以及带表面沾污物。在R.P.DOnovan主编的《半导体制造中的颗粒控制》(1990年，New York,Marcel Dekker)第24章(W.G.Fisher)中描述了这种方法，指出保持冲洗气体流速足够高是可取的，以便通过设备的气流处于湍流状态，其目的是使沾污物加快带入惰性气体。根据该文，由于湍流这界层比层流边界层更薄，而且由于湍流中有瞬时流速高于平均速度的区域，从而湍流更有利于带走颗粒。
然而，在将这种方法应用于片子本身的洗涤过程中，由于湍流具有垂直于片子表面的局部速度分量，湍流的使用可能有问题。这些速度分量可能将带走的颗粒又带到它能够被保留住的片子表面上。对于刚刚从片子表面释放出来的颗粒来说，这是特别真实的。这种“刚刚被释放的”颗粒相当靠近片子表面，因而更容易由于垂直于片子表面的局部速度分量而重新沉积到表面上。
本发明的目的在于提供一种清理系统，用以清理衬底的表面，以清除特别微小的沾污物，并且，在与现有技术比较时，更加减少被游离的沾污物重新附着衬底表面上的可能性。本发明的目的还在于实现清除沾污物的步骤，在减少沾污物的重新附着度的同时而不改变衬底的晶体结构。
根据本发明的一种用于从衬底的被处理表面清除表面沾污物同时保持被处理表面的晶体结构的方法，它包含下列步骤：
在横跨上述被处理表面上引入一个气流，上述气体对被处理表面来说是惰性的；以及
用高能辐照照射上述被处理表面，上述辐照的能量密度和持续时间足以从被处理表面释放表面沾污物而不足以改变被处理表面的晶体结构，
其特征在于，保持所述气流在衬底的整个处理表面处于层流状态，避免产生回流区。
根据本发明的一种用于从衬底被处理表面清除沾污物同时保持被处理表面的晶体结构的设备，它包含：
一个对被处理衬底来说是惰性的气体的气体通道；
一个用来支持上述衬底的上述被处理表面并用来从上述气体通道将上述惰性气体流引到上述被处理表面上方的外壳；以及
一个用具有足以从被处理表面释放表面沾污物而不足以改变被处理表面晶体结构的能量密度和持续时间的高能辐照照射上述被处理表面的辐照装置，
其特征在于，所述外壳中形成有流道，衬底即安置在所述流道中，且所述外壳的流道，其尺寸取得使所述气流在衬底的整个被处理的表面保持层流状态，避免产生回流区。
根据本发明的一种用于从衬底被处理表面清除表面沾污物同时保持被处理表面晶体结构的设备，它包含：
一个对被处理表面来说是惰性的气体的储存罐；
一个用来支持上述被处理表面并用来将来自上述气体储存罐中的上述惰性气体流引到上方的外壳；以及
一个用具有足以从被处理表面释放表面沾污物而不足以改变被处理表面晶体结构的能量密度和持续时间的高能辐照来照射上述被处理表面的辐照装置，
其特征在于，所述外壳中形成有具有凹槽的流道和用以将衬底固定在凹槽内从而使流道被处理的表面与所述流道的流动表面齐平且相对于重力朝下的装置。
本发明通过将惰性气流在横跨衬底的表面保持层流状态和避免在该领域产生回流区，而将所述被除去的沾污物载于惰性气流中。本发明对于那些需要高度清洁表面的衬底特别有效。这样的衬底可在某些包括光学透镜的精密科学仪器和半导体产品中看到。
本发明借助于从衬底表面清除表面沾污物而不改变分子晶体结构因而也不损伤被处理表面的方法，从而解决了现有技术的问题并避免了现有技术的缺点。使气体流过衬底被处理的表面，而衬底被连续地辐照，其辐照的能量密度和持续时间大到足以从衬底被处理的表面释放表面沾污物同时又小到不足以改变衬底被处理的分子晶体结构。气体最好对衬底被处理表面呈惰性。而且，为了最佳地避免被带在气流中的沾污物沉积到被处理的表面上的可能性，气流要处于层流状态。辐射源可以是技术领域已知的诸如脉冲或连续波激光器或者高能灯之类的任何一种装置。最好用脉冲紫外激光器来产生辐照。本发明在半导体衬底上沉积电路层之前、之间和之后，都能够有利地用以从基本上平整的半导体衬底上清除表面沾污物。此法也可用于不规则形状的表面，或更确切地说，可用于位于彼此非重合平面上的表面上。这些平面包括除了占据相同空间或平面的那些以外的衬底表面之间的全部可能关系。例如，彼此平行或成一定角度的那些表面(诸如管道的相对内壁或方形室的相邻壁)分别占据着彼此非重合的平面。
图1是根据本发明的沾污物清除方法和设备的示意图。
图2示出了本发明一个实施例中如何使用激光辐照来从相对平整的被处理表面清除沾污物。
图3示出了本发明另一实施例中如何使用激光辐照来从相对平整的被处理表面清除沾污物。
图4示出了根据本发明结合辐照和所加气体使用掩模来从相对平整的被处理表面清除沾污物。
图5是根据本发明从不规则的被处理表面清除沾污物的设备的示意图。
图6-11是根据本发明的原理向不规则形状的被处理表面输送气体和辐照的设备的端视图。
图12-13是示出了图5的发明如何用以从细长的封闭管道内部清除沾污物的侧视原理图。
图14是根据本发明的原理向不规则形状的被处理表面输送气体和辐照的设备的端视图。
图15是图14所示设备的局部平面图。
图16是根据本发明的原理向不规则形状的被处理表面输送气体和辐照的设备的另一种结构的局部平面图。
图17和17a是示出了带有柔性的多孔对中支持结构的图5的发明的应用的侧视图。
图18是示出了带有光漫射器的本发明的应用的侧视图。
图19和20是示出了图5的发明如何用来从加工室内部清除沾污物的侧视图。
图21和22是示出了图5的发明为如何用来从不规则形状物体的外部清除沾污物的侧视图。
图23和24是示出了本发明另一实施例中如何用辐照来从管道内部清除沾污物的侧视图。
图25和26是分别示出了本发明另一实施例中如何用辐照来从不规则形状物体外部清除沾污物的端视图和侧视图。
图27A和27B是根据本发明原理向被处理表面输送气体和辐照的设备的各不同层面的顶视图。
图28是图27的设备沿图27A的28-28所取的剖面图。
图29是图27设备的部件分解图。
图30示出了气流管道中不同阶段的气体流速分布。
图31提供了用来选取图27设备的过滤器的流速和压力数据。
图32是用来加工某些衬底的集束设备的示意图。
图33-35是根据本发明的沾污物清除方法和设备的示意图。
图36示出了兰金卵形线(Rankine Oval)，它描述了体现本发明原理的加工室的部件形状。
图37示出了加工室中气流的典型速度分布。
图38和39是本发明方法所用测试单元的平面图和纵剖图。
图40示出了本方法的测试数据。
图41示出了当引进第二个惰性气体流时，通过衬底中的空腔的情性气体流的流线图。
图42示出了采用本发明原理的设备的另一实施例。
现参照附图所示例子对本发明的最佳实施例进行详细描述。在所有的附图中，相似的参考号用来表示相似的元件。1、基本的处理方法和设备
图1示出了一种用来从衬底表面清除表面沾污物而不改变分子晶体结构也不损伤衬底表面的方法和设备。如图1所示，装置10中有一其表面沾污物待被清除的衬底12。气体18自气源16恒定地流过衬底12。气体18对衬底12来说是惰性的并且流过衬底12以便在非反应性气体环境中冲洗衬底12。气体18最好是诸如氦、氮或氩的化学上惰性的气体。用来安装衬底12的外壳15通过一组管道21、阀门22和气流计20同气源16连接。
根据图1所示的本发明实施例，外壳15包含一个分别装有相对的气体入口和出口23和25的不锈钢样品反应室。外壳15装有密封的光学级石英窗17，辐照可由此窗通过。入口和出口部分23和25可以包含例如装有阀门的不锈钢管道。样品12放入外壳15之后，外壳15被反复冲洗并用气体18回填，而且保持在稍高于环境大气压力的压力之下以防止其它气体流入。尽管外壳15示为定型的盒室，但可预料被清洗处理的表面可以封闭在任何类型的可通过气体的外壳中。例如，若被处理的表面是一个大的确定的物体，就可以使用诸如塑料袋的手提外壳。
气体18的流量可用适当的流量计20来调整，可以用Mathe-son 602型流量计。阀门22最好是适用于高温高压并可用于有毒、有害、腐蚀性或易膨胀气体或液体的测量用、调整用阀或波纹管阀，例如俄亥俄州Solon市Swagelok公司制造的Swagelok SS-4HTM系列阀门。阀门22可以打开和关闭以隔离外壳15、或使外壳同气源16连接，或者使外壳15同诸如来自另一气源40的用来在衬底12上进行沉积的气体之类的另一种物质进行连接。
根据本发明的方法，高能辐照照射在衬底被处理的表面上，其能量密度和持续时间处于从衬底被处理表面释放表面沾污物所需的和改变表面分子晶体结构所需的能量密度和持续时间之间。根据图1所示的本发明实施例，辐照源14(可以是激光器或高能灯)产生射向衬底12的被处理表面的辐射11。在图1中，辐射源14示为在机箱15外面并且通过石英窗口17而辐照样品12。但可预料源14也可以置于外壳15之内。
高能辐照的能量流和波长最好选择成依赖于被清除的表面沾污物。为此，可在出口25处连接一个气体分析器27。分析器27对机箱15排出来的气体的成分进行分析以方便源14的选择性能量和波长的调整。气体分析器27可以是一个质谱计，例如麻省Billerica市Bruker仪器公司或明尼苏达州Eden Prairle市PerkinElmer制造的四极质谱计。
用在本发明中的辐照源的选择依赖于所需的辐照能量和波长。以电子伏特/光子(Ev/光子)为单位的辐照能量水平最好至少二倍于打破沾污物粘滞于被处理表面的键所需的能量。普通沾污物(诸如碳和氧)同普通衬底材料(诸如硅、钛、锗、铁、铂和铝)之间的键能范围在2-7Ev/键之间(见1987年CRC出版社第68版化学物理手册PP.F-169--F-177)。因此，发射能量在4-14Ev/光子范围内的光子的辐射源是可取的。如同参考文献G.W.Cast-ellan,Physical Chemistry，第二版，458-459(1975年学术出版社)中所述，此波长应低于由熟知的光电子效应损害衬底表面完整性的波长。最佳波长依赖于被清除的分子质点和这种质点的共振态。
任何本领域已知的产生合适能量水平的辐照的装置都可用于本发明，这包括高能灯和激光器。依照应用的不同，可预料来自这些源的光能的范围为深紫外--红外，相应的波长分别为193-3000nm。
表Ⅰ列出了许多合适的激光器的波长和光子能量
表Ⅰ  合适激光器的规格
激光器      波长(nm)    Ev/光子XeCl，脉冲        308         4.04氩离子，连续波    257         4.83KrF，脉冲         248         5.01ArF，脉冲         193         6.44可调染料激光器，脉冲或连续波    200-800    6.22-1.55在下列参考文献中对这些激光器进行了更详细得多的描述：M.J.Webber编CRC激光科学手册第1-5卷(1982-1987年)；Mitsuo Maeda，激光染料(1984年，学术出版社)；以及麻省Acton市Lambda Physik、加州Palo Alto市Coherent公司和加州Mountain View市Spactra-Physics的激光器产品文献。可以预料，高能氙灯或汞灯或者其它类型的激光器，包括可见光、紫外光、红外光、X射线或自由电子激光器都可以用作辐照的合适光源。
根据本发明，射向要清除沾污物的衬底被处理表面的辐照的功率密度小于改变表面分子晶体结构所需的功率密度。辐照的功率密度和持续时间最好是选择成给衬底表面的能量大大地低于改变衬底表面结构所需的能量。最佳的能量水平依赖于被处理衬底的组分。例如，对某些诸如塑料的衬底材料，这一能量水平可能大大低于诸如高强度硬质合金钢的能量水平。各种材料的形成热是众所周知的，在化学物理手册第68版(CRC出版社，1987年)PP.D33-D42中有报导。形成热通常相当于击穿各种材料所需的热量并且可用来指导选择不致改变被处理表面的分子晶体结构的辐照能量密度和持续时间。
表Ⅱ总结了许多普通衬底材料的形成热
        表Ⅱ    衬底材料的形成热
材料          形成热Al2O3  16906.7kJ/mol；17.52Ev/分子SiO2              840.3kJ/mol；9.11Ev/分子Nb2O5  1528.2kJ/mol；13.27Ev/分子NiO                230.6kJ/mol；2.50Ev/分子Ti2O3  500.2kJ/mol；15.63Ev/分子用在本发明中的辐照能量密度和持续时间使衬底被处理表面上不达到形成热。然而要找出给定衬底材料上可使用的最高能量，则要求根据材料已知的形成热进行一些实验。这种实验可确保不会发生退火、烧蚀和熔化。
辐照最好是垂于射向被处理的那部分衬底的平面，以便在来自辐射源的给定功率输出的情况下使表面处的能量流尽可能大。然而，正如为了方便起见或为了完成特殊环境下的加工所必须的那样，辐照也可以以一定的角度射向衬底。当然，表面处的能量流将随入射角的正弦而变化，这在选取辐照源的功率输出和停留时间的过程中是必须考虑进去的。
当衬底如上所述被辐照时，将表面沾污保持在衬底表面上的键和/或力被击破并在辐照期间由惰性载气将沾污物从衬底表面带走。只要被清洗的衬底保留在惰性气体环境中，新的沾污物就不会在衬底表面上形成。如有需要，可在机箱出口25处接一适当的陷阱系统以捕捉并中和被清除的沾污物。
a、工艺的量子动力学理论基础
借助于同惰性气流相配合的辐照来从表面清除沾污物的过程可以用量子力学分支的非线性光学理论来描述。
非线性光学理论的基础是从非线性媒质中的马克斯韦尔方程推导出来的，即： ▿ × E = 1 C ( δB / δl ) - - - - - - - - - - - ( 1 ) ▿ × E = 1 C ( δE / δl ) + 4 π C J - - - - - - - - - - - ( 2 )
V·E=4πp                    (3)
V·B=0                       (4)其中E是电场，B是磁场，J是电流密度，ρ是电荷密度。
随着激光器和其它高能辐射源的出现，自从19世纪80年代就已从理论上假定了的非线性过程变得可以理解了。在N.Bloembergen的《非线性光学》(纽约Benjamin/Cummins出版公司，1965年(1982年第四次印刷))和Y.R.Shen的《非线性光学原理》(纽约John Wiley父子公司，1984年)中描述了非线性光学的理论。
激光器产生相干的具有高方向性的光束。光束的这种性质被定义为辐照力，它具有可被用来从表面上清除附着的沾污物的独特性质。均匀媒质中的辐照力由方程(5)给出，方程(5)也是从马克斯韦尔方程导出的： f = ▿ p + p ( δE / δp ) 8 π ▿ E 2 - ( ϵ - 1 ) ( δG / δl ) - - - - - ( 5 ) 其中δ是媒质的密度，P是压力，G是真空中的电磁密度。
Ashkin和Dziedic所进行的实验(A.Ashkin,J.M.Dziedic,Appl.Phys.Lett.,28(1976),P333；30(1977)，P202以及(1971)，P729)表明诸如10μm乳胶球那样的小颗粒在足够光子流的激光场中可从表面被清除。只要激光束一停止，乳胶球就回到表面。这一非线性过程称为光学悬浮。Ashkin的实验表明辐照源的性质可被用来克服局部粘附和重力。在此处所述5μm颗粒处理过程的测试中已观察到这种现象。采用流动的惰性气体可防止辐照通过一个位置之后颗粒的重新粘附。
在本工艺和设备的测试中已观察到的另一个非线性过程是多光子分解(“MPD”)。带有足够的、用以同其上有沾污物的表面相互作用的光子流的高能辐照源可借助于MPD来清除沾污物。(见Y.R.Shen的《非线性光学原理》(纽约John Wiley父子公司，1984年，第23章，PP.437-465))。经过这一过程，一些光子可激发振动和旋转态，这是经典方法所不允许的。沾污物获得的这些新态可描述为准亚稳态。准亚稳态能够导致沾污物从表面分离或击破沾污物。这一分离过程被表面和沾污物提供的非线性敏感度进一步加强。而且，MPD过程理论假设人们借助于将光子流调谐到利用非线性机制的方法、基于对表面和待清除的化学物的认识而选择性地清除键。
上述的非线性过程看来是互补的。依赖于沾污物和表面的不同，某一个非线性过程可能优于另一个，或者它们可协同地进行。
b、基本处理举例
在下列例子中示出了上述基本处理方法和设备用于平面形被处理表面的情况。在例Ⅰ中，脉冲KrF染料激光器的各种能量密度被用于氧化硅衬底，其成功度不同。在例Ⅱ中，考察在光学元件领域中对本发明的需求。ⅰ、例Ⅰ
为促进半导体表面上的薄膜生长，需要硅的天然氧化物。不幸的是，当氧化硅的半导体表面暴露于环境时，碳沾污物微弱地粘附到半导体表面。这些沾污物的出现大大降低了待要沉积的薄膜的传导性或绝缘性质。因此在半导体生产中，很大的注意力被用来通过采用完善的真空、化学和机械技术而尽量减少对环境的暴露。真空技术是昂贵的，特别是如果在各工艺步骤之间采用高真空或近于超高真空来保持表面洁净的时候更是如此。化学(湿法和干法)和机械技术会损伤衬底的被处理表面，如果被处理的衬底是一种被加工的集成电路，则还会损伤其下面的结构。
为了克服这些问题，基本波长为248nm(紫外范围)的脉冲KrF染料激光器(Lambda Physik生产的EMG150型)发出来的辐照被加至在有氩气流通的密封工作室中的硅衬底的表面。为了实现降低表面碳沾污并降低同化学吸附的有机金属(三乙基铝)相关的碳的百分比，这一半导体生产中铝薄膜形成的初始条件，采用KrF染料激光器将6000次激射的35mJ/cm2的辐照以10Hz的重复速率加至氧化硅衬底表面共持续20分钟。在1.03×10-3乇背景调节器压力(backing regulatorpressure)下以流速16l/小时(4.5ml/秒)而连续流通氩气的过程中来暴露激光处理的表面。处理之后，X射线光电子谱仪(“XPS”)分析表明衬底的表面碳有显著的降低，从处理之前的平均表面碳覆盖30-40％的衬底表面降为处理之后的平均表面碳覆盖19％的衬底表面。衬底表面本身未显出损伤或改变。
如前述由激光辐照处理过并随后暴露于有机金属气流的表面，由XPS分析表明：20.8％的衬底表面被碳覆盖，相比之下，在未经激光处理的表面上，暴露于有机金属气体之后，40-45％的衬底表面被碳覆盖。无论是当暴露于有机金属气体之前如前所述加上激光和之后再加上激光，都只有8.9％的表面被碳覆盖。邻近于激光曝光区的区域也表现出激光清洗处理的某些效果。邻近于被处理区的区域显示出降低了的12.7％的碳水平。这一效应可能是所加激光脉冲的高斯性质所造成的。
将片子从样品室转移到XPS分析仪是要经由一个充氩的手套箱。硅片通过惰性UHV传送棒被转移到XPS。这就使得对环境的暴露保持为最小。
另一种氧化硅片子在如上所述暴露于氩气的同时被暴露于9mJ/cm2的KrF染料激光器辐照，这是以10Hz的重复速率共作6000次激射。在激光处理之前和之后，XPS分析显示出表面碳覆盖率均为40-45％。这说明9mJ/cm2的辐照未曾清除掉吸附的表面碳。
另一种氧化硅片子在如上所述暴露于氩气的同时被暴露于300mJ/cm2的脉冲KrF染料激光器辐照，这是以10Hz的重复速率共作6000次激射。在处理结束时，衬底表面遭到明显的损伤，包括有穿过衬底的孔。这表明300mJ/cm2的辐照改变了衬底表面的分子晶体结构。
这些例子表明合适能量流每波长的激光辐照能够降低表面沾污而不损伤下方的表面或邻近的结构。
根据SiO2的形成热，氧化硅衬底表面承受小于100mJ/cm2的脉冲KrF染料激光器辐照6000次(重复速率为10Hz)将不会改变衬底的分子晶体结构。小于75mJ/cm2的脉冲KrF染料激光器以10Hz的重复速率辐照6000次无论如何不致于改变氧化硅衬底的表面。ⅱ.例Ⅱ
用诸如激光熔融、X射线光刻和紫外染料激光镜片之类的技术难以制造高能光学元件。激光熔融和X射线光刻术只被使用于“洁净”环境中。由于用现有的市售薄膜沉积技术难以制造能够经受长时间的高能流的薄膜，故染料激光器镜片的使用寿命很短。
高能镜片的一个老问题是光学击穿。此现象可描述为“在强大的激光场中透明媒质中遭到的损伤突然形成”(Y.R.Shen，《非线性光学原理》第一版，528-540(Wiley Interscience,1084)。此现象发生在固体以及气体中。对于固体，例如高能镜片由于固体能材料中出现诸如划痕和空孔之类的表面缺陷而加重了光学击穿。在大多数情况下，光学击穿是诸如吸附的尘埃颗粒之类的表面沾污所造成的。这些沾污物的出现降低了击穿阈值，它反过来又限制了从给定的激光系统所能利用的最大激光功率。这一因素是关于激光媒质(固态或气态)由外部泵能源进行泵的一个非常重要的限制。这反过来又限制了可用来通过光学窗口、透镜和其它光学元件而发射能量的激光器功率。
光学击穿，例如固体上的光学击穿，由表面粘附的沾污物的出现而引起。具有足够能量截面的激光脉冲串的相互作用可提供足够的能量以在固体表面上产生“雪崩”离子化。这能够形成一个可瓦解固体表面的等离子体。沾污物的出现大大降低了激光器的效率并减少了它的潜在用途。
为了克服上述问题，此处所述的沾污物清除方法可用来清除诸如吸附的尘埃之类的附着的沾污物。例如，为了处理光学元件，该元件被暴露于连续的氩气流中，与此同时，将脉冲KrF染料激光器对准光学元件的表面。激光器被调谐到明显低于在高能镜片中引起离化并随后引起等离子体的高能脉冲的合适的能量流和波长。以选定的流量和波长照射光学元件的表面，其持续时间要足以清除所吸附的沾污物。ⅲ .例Ⅲ
采用Potomac Photonics SGX-1000 KrF激光器(由马里兰州Lanham市Potomac Photonics出售)进行了定性实验。激光器运行的平均功率为60mJ/秒，持续时间为0.02秒，束斑为20μm。衬底被装在速度为1mm/秒的传送台上，使用的氮气流速为140ml/秒。使用俄勒岗州波特兰市Molectron Detector公司所售的带有J3-09探针的Molectron JD-1000焦尔计来测量激光功率。清洗结果的1000倍目测表明：从铝上清除了有机油类(指纹)和铝碎片，从硅上清除了硅碎片和硅雾状物，而且从3.0μmCMOS图形化片子上清除了成分不明的外来物质。
c.衬底的选择性处理
根据本发明，被处理平面可以用激光进行选择性辐照。例如如图2所示，衬底12固定在XY平台13上，平台13相对于由激光器14＇产生的固定激光脉冲束11＇而选择性地移动，该固定激光束在接触到其上部有惰性气体流18的衬底12表面的选定部位之前射过束分离设备24和聚焦透镜28。或者如图3所示，激光脉冲11＇可用分离设备30和32分离成二组脉冲，它们依靠调节平面镜34-37而在固定于平台19上的衬底12表面上选择性移动。用于测量从激光器直接出来的能量的激光功率计26可严密地监视加于衬底上的激光功率。从纽约州Oriskany市Digirad和科罗拉多州Boulder市Scientech公司可购到合适的激光功率计。
而且，如同半导体工业中所使用的那样，通过采用置于辐照源和被处理衬底之间的掩模，也可以获得平面表面的选择性辐照。如图4所示，借助于限制辐照11通过通道a到达衬底12，掩模9方便于固定在不动平台19的衬底12的选择性辐照。如图1所详述的那样，机箱15包含一个分别装有相对的气体入口和出口23和25以及密封的光学级石英窗口17的不锈钢样品反应室，辐照可以通过此窗口17。
可以预料在相似于图2-4所示结构中也可以用高能灯来辐照平面表面。
图42示出了另一个可进行平面表面选择性辐照的实施例。合适激光器110的输出投向聚焦透镜112，由中继平面镜113和114反射并通过Galilean望远镜115。激光器出来的辐照然后从另一中继平面镜116反射并通过末端可调聚焦透镜117聚焦再到达安装在XY传送平台上支座118上的衬底。支座118至少排列在惰性气体流过的工作室(未示出)之中。流量计119安置在工作室的出口处。图42所示的结构提供了一个极为紧凑的设备。
d、惰性气体层流
为了降低辐照从衬底表面释放并已被气流带去的沾污物在下游重新沉积到衬底表面上去的可能性，最好将气流控制成不赋予被带走的沾污物以垂直于衬底表面的速度分量。根据定义，这种垂直于表面的速度分量在气体湍流中是固有的，而且在湍流或层流的气流循环区中也是固有的。因此，根据本发明的原理，最好使流过衬底的气体保持在层流区并且最好避免产生气流循环区。
众所周知，对于内部气流(例如在管道中或此处情况下，在工作室中)，在雷诺数小于约2000的情况下将维持层流。如下面方程式(6)所示，雷诺数(Re)用下式计算： Re = ρ ▿ h μ - - - - - - - - - - - ( 6 ) 其中ρ和μ分别是气体的密度和绝对粘度，h是界定气流的各个壁之间距离的半高度，v是气流的平均速度。
同样如众所周知，对气体中自由粒子(诸如带入气流中的被释放颗粒)的拖动力F同气体粘度、粒子直径dp和粒子与气流之间的相对速度v有下列关系： F = 3 πμ d p ν c - - - - - - - - - - - - - ( 9 ) 其中c是滑动修正因子。为使加于粒子的力尽可能大因而使粒子尽可能被带入气流并保留在气流中，应使气流速度尽可能大。然而，这样就要限制雷诺数保持在低于约2000以维持层流。显然，对于一个给定的气体，借助于降低气流管道的半高度h能够获得更高的气体速度。
气流管道中的平均速度 v同通过此管道的气体的体流速Q有下列关系：
      Q=vA                                  (11)其中A是气流管道的截面积。于是，为保持给定的平均速度而必须馈向气流管道的气体的体流速对于截面积较小的气流管道就较小。气流管道的宽度通常取决于待要处理的衬底的宽度，但控制管道的高度通常可得到更大的灵活性。因此，为了使达到希望的速度所必须的气量尽可能小，最好是使管道的高度尽可能小。
人们承认沿气流管道的宽度气流速度是不均匀的：在管壁处速度为0，并单调地上升到管道中线处的最大值。对于充分发展的管道片流，速度分布为： μ ( y ) = 3 ▿ ( y h - y 2 2 h 2 ) - - - - - - - - ( 12 ) 其中y是离气流管壁的距离。如图30所示，这种速度分布是抛物线型的。在气流管道的入口区E，亦即在气流管道的各个相对壁上发展的边界层尚未会合于管道中心的那个区域中，存在一个靠近于管壁的边界层区和一个潜在的核。虽然速度没有严格形式的解，但如图30所示，在靠近管壁的给定距离处的入口区E的气流速度大于完全发展区F中的气体速度。
沾污物输送的其它有关参数是气体的密度和绝对粘度性质。这些性质都被结合在动力学粘度ν中，ν＇是密度和绝对粘度之比： ν = μ ρ - - - - - - - - - - ( 13 ) 如同从雷诺数方程(上述的方程(6))可见，对于一个给定的雷诺数和气流管道尺寸，用较大的动力学粘度可获得较高的速度，呈线性关系。与之相竞争的考虑是边界层厚度：通常希望最高的速率尽可能靠近管壁，这反过来意味着边界层最好较薄。然而，虽然相似条件下湍流边界层通常比层流边界层簿，但必须以避免湍流为条件。
边界层厚度正比于动力学粘度的平方根而反比于气流管道中平均速度的平方根。于是，对于一个气流管道中给定的速度，动力学粘度相对高的气体比之动力学粘度相对低的气体来说，其边界层将更厚。但根据雷诺数关系，当保持相同的雷诺数(因而维持层流)时，动力学粘度的增加使速度正比地增加。这样就能够用提高平均气流速度的方法来克服增大了的动力学粘度对边界层厚度的不希望有的影响。当然，这些考虑只适合于入口区——在完全发展区中边界层厚度等于气流管道的半宽且不受气体性质的影响。
为上述方程(9)所示，粘度是粒子拖动力中的一个重要参数——气体粘度越高，对粒子的力也越大。于是绝对粘度较高的气体就更好。
如上所述，任何对衬底呈惰性的气体都可用来执行处理。稀有气体实际上对所有的衬底材料都呈惰性，因而是特别适合的。氮对大多数衬底也是合适的。稀有气体中，氦和氩是最容易获得的并且在使用上也有经济吸引力。氦、氩和氮这三种气体中，氩由于其绝对粘度最高，因而最好。
有关气流通过气流管道情况的其它参数是气体的温度和压力。大多数气体的粘度(绝对粘度以及动力学粘度)随温度而稍许增高。但在处理工艺的大多数商业应用中，气体温度都大约为室温。相反，气体压力可能显著变化。气体的密度正比于其静压力。于是，再参照上述方程(6)所示的雷诺数方程，对于一个给定的雷诺数、气体和气流管道高度D，通过增高压力而增大密度就要求降低平均速度。于是在片流区中较低的压力就可获得较高的速度。
返回到避免赋予被带走沾污物以垂直于表面的速度分量的第二种情况、即避免循环区的情况，本技术领域中众所周知，在诸如有气体流过的表面的分布中的流向不连续或剧烈变化所产生的气流中反向压力梯度，可以引起气流再循环。因此希望在处理衬底的工作室的表面上(特别是在衬底上游处或靠近衬底上游处)避免形成这种不连续性。而且进入气流管道的气流应具有其速度矢量平行于气流管道轴的均匀的速度分布。
在带有用来保持片状无循环气流的非最佳的结构的反应室中得到的测试结果，表明了这些气流考虑(避免再循环和湍流)的重要性。这一反应室结构同上述例Ⅰ和Ⅱ中所述测试所用的相同。平面图38和剖面图39示出了反应室200。此反应室带有入口202和出口210，它们同反应室的底板201相同，且直径为0.25英寸(0.6cm)。待处理的衬底也装在底板201上。反应室的直径为7.6cm，高度为2.5cm。
使用了一个在200-315nm范围内输出能量为40μJ/s的、耦合到康涅狄克州Stamford市Oriel公司所售的84350型电子时间控制器的、带有一个4英寸直径透镜的6288型低压500W汞/氙灯(Oriel公司所售)，在反应室中对暴露于大气环境的裸硅样品进行了清洗。该灯在30分钟内共释放8mJ/cm2。用带有200-315nm范围的JSEL/240/QnDS2/TD探测器和300-400nm范围的JXRL140B探测器的JL-1400A光子计作能量测量，这些探测器均由加州Laguna Hills市的Jetlight公司提供。处理前后的样品分析用现由麻省Danvers市Fisons Instruments公司出售的VG Inshuments 310型俄歇/XPS摄谱仪进行。
通过反应室的气体流速从9cc/s变到130cc/s，用伊利诺州Niles市Cole-Parmer Instruments公司所售的对氩、氮和氦进行了标定的L-03217系列150mm可变流量计进行控制。测试数据从下表Ⅲ和图40可见。
表Ⅲ    测试数据氩气流速(cc/s)    碳清除(％)
  9             18.9
  9             21.4
 12             20.6
 12             30.9
 12             34.6
 66             37.9
 66             42.5
 66             65.4
117             20.6
117             19.3
130             25.2
从数据显见，处理过程的清除效率依赖于气流速率(而气流速率依赖于反应室中的气流条件)。虽然基于反应室半高度计算得到的雷诺数明确地处于片流范围，但相信在较高的流速下，气体从入口202到反应室的不受限制的扩散会在入口的二侧产生再循环区，并可能产生下游涡流。这种再循环效应可能引起沾污物的重新沉积。
图27-29示出了体现上述原理——在衬底的被处理表面上产生非再循环片流——的反应室。实施例还在气流管道入口处提供了均匀的气流。这种反应室200于是设计成使沾污物从被处理的表面尽可能多地清除并尽量减少重新沉积。
反应室200包括一个同小型混合室206进行流体连接的入口202，混合室本身又包括一个低压充气箱230和一个邻接的沟槽204。充气箱230在其端面接有过滤装置226和垂直柱228。
过滤装置226位于气流管道232的入口且用二个可调定位子208限制定位。在过滤装置各元件周围装有诸如聚四氟乙烯垫圈、O形环或橡皮圈之类的密封(未示出)，以防止气流从混合室206分流到气流管道232。
气流管道232延伸到过滤装置226的下游且包括一个用来安放衬底样品(未示出)的凹槽214。此凹槽的尺寸定为使样品被处理的表面同管道表面齐平。为了在处理过程中约束样品，可通过真空抽气口216和真空管道218将真空加于样品背面。
在接受衬底样品的凹槽214上方排列一个石英片220，辐照则接前述方式通过220。石英片220分别用可移去的平板和适当尺寸的O形环来固定和密封在反应室200中。
凹槽214的下游是出气管210，它位于带有“兰金椭圆”形状结构的气流管道部位中。如众所周知，兰金椭圆的形状考虑到了进入沉落点(Sink Point)的均匀气流的非粘性气流解。在本文中，兰金椭圆结构用来将气流引至出气管210同时避免在气流管道232中的气流再循环。
“兰金椭圆”用下列方程描述(结合图36)： R 2 - a 2 2 a ( θ 1 - θ 2 ) - - - - - - - - - - ( 14 ) 其中R是兰金椭圆同X轴正侧的截距。
气流在入口202处开始通过反应室200。此气体可从装有控制气体压力和流速的合适的压力调节器(未示出)的压缩气瓶馈向入口。气源用适当的管道连接到入口。气体从入口202被引导来冲击沟槽204的平坦表面。当离开沟槽204后，气流进入充气箱230，然后向过滤装置226行进。
很明显，从充气箱230出来的气流是不均匀的，它横穿充气箱出口平面时其速度是变化的而且存在着不平行于气流管道轴的速度分量。如上所述，需要消除这二种情况以便进入气流管道的气流具有如图30所示的平行于气流管道232的轴的均匀速度分布。这可用过滤装置226来实现。
过滤装置226排列在工作室200的气流管道的入口处。当气流被强迫通过过滤装置226时，气流条件被改变以便产生沿横越气流管道232的宽度和高度方向均匀而平行的速度分布。为使气流损失保持在可接受的限度以内，最好是限制横跨过滤器的压力降为1-2psi。过滤装置最好包括一个诸如Pall UetrafineFiltration公司提供的那样的多孔烧结金属过滤器。
所需过滤器的数目和类型由气流条件确定。例如，对于0-500cc/s范围内的空气流，图31提供了选择具有1-2psi最大压降的过滤器的数据。实线1F-4F表示一系列被标记为pssF级的Courser网格Pall过滤器。虚线1H、2H、3H和4H表示一系列被标记为pssH级的细网格Pall过滤器。
对于70cc/s的起始设计条件，图31指出1H过滤器可能提供所需的1-2psi的压降。图30得到的这一指示已被实验证实。
图31提供的信息是关于空气的，由于空气主要由氮组成，因此上述信息对氮也适合。对于氩和氦之类的其它惰性气体，这些数据需要调整。
对于用来处理直径约为6英寸的衬底样品的工作室200，气流管道232的宽度约为6.5英寸(16.51cm)而高度约为0.125英寸(0.31cm)，这就导致截面积约为0.8125平方英寸(5.24cm2)的气流管道。工作室总体尺寸为10英寸×20英寸(25.4cm×50.8cm)。此工作室在入口202和出口210处都装有直径为0.25英寸(0.6cm)的管道接头，这对于直至500cc/s的流速是合适的。对于更高的流速可能需要更大的接头。
采用氩时，维持片流所能达到的最大速度用解v的雷诺数方程的办法来确定。对于氩即为： V - = 2000 · ( 0 . 134 cm 2 / S ) 0 . 16 cm - - - - - - - - ( 16 ) 或1.675cm/s。达到这一速度所需的流量用方程(11)确定
Q=(1,675cm/s)(5.24cm2)           (17)或8.777cm3/s。
工作室中的气流可用熟知的液体动力学原理(包括Navier-Stokes方法、连续方程和边界层方程)来模型化，工作室中的气流模型可用公式来表示。依赖于诸如气体类型和体积流率之类的输入，可以计算雷诺数。人们也能够确定离气流管道入口距离选定处的速度分布。
例如，若采用流率为1000cc/s的氩，其平均流率将为191cm/s而雷诺数为233。入口长度将为30mm。
Figure 9419217000391
的值，图37示出了得到的气体速度分布(其中x为轴向距离，E为气流的入口长度)。此例中，入口长度约为30mm。图37中的速度分布示出了局部速度对平均速度之比(U/U-m)与到气流管道表面距离y之间的关系。
根据本发明的方法和设备，情性气体以基本上如前所述的方式馈至工作室200。气体由气源供给并连续地于片流区流过衬底表面上方。可用合适的阀门调节器和流量计对气流进行调节和监视。
显然，为在商业环境下实现本处理设备和方法，可以对本实施进行多种修改，特别是有关本处理方法在图32所示的常用的集束加工装置中的使用更是如此。
典型的集束装置包括一个中央衬底安装室320，其中在各加工步骤之间安置有衬底321。安装室周围有各种加工装置外壳302、304、306和308，而且衬底321按预先编定的加工步骤被引入各个外壳。
清洗工艺单元可方便地置于装料单元312中或卸料单元310中或者置于二者之中，而且可以用层流来实施本处理设备和方法。在将衬底321放入加工室320之前，可在装料单元312中进行清洗处理。同样，在加工室320中完成加工之后也可在卸料单元310中进行清洗处理。
集束装置中的加工室320一般被装配来作低真空条件下的运行(从亚大气压至1×10-3乇)。尽量减少中央加工室320和清洗加工单元之间的气流是可取的，这种气流可能扰乱它们之间交界周围各工作室侧壁上的潜在沾污物，引进另一个沾污源。因此，商业上可能最好在与加工室320相同的压力下运行清洗单元。如上所述，在这种压力下可满意地运行此处所述的工艺。
同样显见，在各种应用中引入气流辅助装置(fluid flowaids)控制工作室中的气流条件(压力和流量)同时在衬底表面上保持片流可能是可取的。通常，气体通过工作室的流率和气体在工作室中的静压力将由馈向入口的气体压力和流量以及由出口处的压力所支配。
例如可设想在气体入口区使用气体压缩机来增加从高压气瓶(如上所述)引入到工作室入口202的气体。这一增加比之不提供这种增加的情况下，可使气体或者在较高的静压力下以相同的相对速度通过工作室、或者以较高的速率在相同的静压力下通过工作室。同样，可设想用一个连接于气体出口区的真空泵来增加通过排气口210排出的气流。如果工作室要保持在亚大气压的压力下，这将是必须的。出口和入口控制也可以组合起来。2、不规则形状表面的处理
图2-4和27-29所提出的实施例主要用于硅片之类的平面状即平坦衬底的处理。因而，其应用局限于可方便地固定在加工室之中并具有可适当地暴露于从通常固定位置发射的辐照的配置的那些衬底表面。
图5-26则提出了可从具有不规则形状的内外衬底表面的、或更具体地说具有处于非重合地相关的各平面的表面的物体清除表面沾污物的实施例。这种平面包含除了那些占据相同空间或平面的以外的全部衬底表面之间的可能关系。例如平行或成角度的各表面，诸如管道相对的内壁或方形工作室中的相邻侧壁都分别占据非重合地相关的平面。
重要的是图2-4和27-29所指出的设备不能够处理这种衬底表面。这些设备严格局限于单一平面状衬底。相反，图5-26的设备可有效地处理相继地或同时地占据非重合地相关的平面的表面，下面进行更全面的讨论。
虽然在这些图中未曾示出，如上所述，可以把诸如上述的气体分析器27和粒子探测器结合到这些实施例中以方便源14选择能量和波长的调节。从科罗拉多州Boulder市Particle MeasuringSystem公司和加州Mountainview市Tencor Instruments可获得合适的粒子探测器。
图5示意地示出了从诸如管道71的细长封闭管道清除沾污物的设备80。辐照源14出来的辐照被引导通过辐照管道50，它是诸如一束光纤之类的光波导，同时衬底处理表面的气体入口从气源16经由气体路线51通向被处理的表面。辐照管道50和气路51在缆道接头53处或其前会合，可合并成一个单一的缆道52。连接于缆道52的端点的缆道接头53包括辐照管道54(它可以是一个或多个光纤)和气体管道55。图6-11剖面图示出了缆道接头53的各种结构。
缆道接头53端头处的辐照管道54和气体管道55的几何形状和结构可根据具体应用所要求的辐照和气体湍流的强度和分布来选取(亦即细长的封闭管道或更扩展的平面表面)。例如，图6和7分别示出了偏向于增强辐照暴露和气体湍流的结构。而且，图6-9提供了传送不均匀气量和/或辐照(当它们反复地正常通过表面上方时)的几何结构。这些同图10和11所提供的正常地射向表面时的气体和辐照的均匀分布相反。作为变通，图8和9提供了一种通常平行于缆道接头53轴线馈向表面时相对均匀的分布，下面将更具体地讨论。虽然通过采用缆道接头53而增强了对气体和辐照的控制，仍可预料在某些应用中完全可以不要这个元件，而使气体和辐照简单地直接从气体管道51和辐照管道50的端头发出。
缆道接头53除了使多路辐照管道54和气体管道55变得更方便之外，还提供了将辐照和气体重新引向衬底被处理表面70的装置。当设备80被用来清洗诸如图12和13所示的管道71的窄管道的内壁时，这种重新引导是必须的，其中的缆道接头53的轴线一般须平行于被处理表面70。
如图15所示，辐照管道54和气体管道55从缆道接头53的中线向外张开，从而将辐照和气流引向待清洗的管道的内壁。如图15和16分别所示，从缆道接头53的中线向外翻的角度可在几度至90°以上的范围。缆道接头53的结构根据清除沾污所要求的气流流率和光子能量而专用。更具体地说，对于特定的沾污物和衬底，缆道接头53以合适的密度和入射角度而引导辐照，同时在被辐射的衬底部位上维持连续的惰性气体流。
在操作中，设备80(更具体地说是缆道52和缆道接头53)可分别如图12和13所示沿正向或反向地横穿一个细长的封闭管道71。当如图12中箭头60所示正向移动时，缆道接头53可如图15所示地构造。辐照管道54和气体管道55可分别排列在缆道接头53的内管道和外管道之中。这样，从通过辐照管道54传送的能量对衬底表面70的辐照将出现在气体管道55排放端发出的气流的下游，因而所有取出的沾污物在缆道接头向前移动时会被排放的气体连续地推向缆道接头53的前方。
作为变通，缆道接头53也可沿图13中箭头61所示的反方向移动。当反向移动时，缆道接头53＇可如图16所示构造。辐照管道54和气体管道55可分别排列在缆道接头53＇的外管道和内管道中。从气体管道55排放的气体沿缆道和管道71之间的环状空间中的缆道52流回。这样，被通过辐照管道54的能量所辐照的衬底表面70的部位将被气体盖满，因而所有被取出的沾污物在缆道接头沿管道反向移动时会被气体连续地沿缆道接头53＇的运动方向推动。为了防止载满沾污物的气体进入已经处理过的管道部位，在最靠近先被处理过的部位的管端处可安置一个管帽。或者如图16所示在缆道接头53＇的端上安装一个帽53a＇。此帽的外径稍小于管道71的内径，使帽和管之间的环流区大大小于管道71和缆道52或缆道接头53＇之间的环流区。因此，气体将从帽53a＇向缆道52流走。
在正向和反向移动结构中，从气体管道55排放的惰性气体的恒定流率都足以从被处理区域移走沾污物。此气流也可用来在待清洗的细长的封闭管道之中使缆道接头53对中。如图14-16所示，气体管道55可构造成从缆道52的中心线向外的环形。只要加上足够的气体压力，气体管道55出来的均匀的向外的气体就可使缆道接头53在细长的封闭管道中对中。
作为变通，如图17和17a所示，可在缆道接头53周围放置由稳定的不脱落颗粒的材料组成的柔性多孔支持结构56用来对中。为避免沾污已清洗过的表面，无论缆道接头53向前(箭头60)或向后(箭头61)移动，支持结构56决不能接触被处理过的表面。这样，支持结构56就必须在辐照处理之前通过衬底表面。在这种应用中，此结构的多孔性必须足以在缆道接头53横穿封闭的管道时允许气体和被取出的沾污物能够流过它。在图17所示的正向移动实施例中，气体管道55和辐照管道54(未示出)可从缆道接头53的侧面引出而不像图14和15那样从表面引出，以便将支持结构57安装在气体和沾污物气流的下游。
当细长的封闭管道的内部由反射性足够的材料如正常退火的316不锈钢构成时，高能灯或带有安装在其端点的光扩散器57的辐照管道50可简单地在管道入口处发射辐照11并可使辐照11如图18所示地反射通过内部70＇。细长管道71＇的内部70 ＇的反射性足以使辐照11横穿内部而不需移动辐照源。以本领域众所周知的方式传送到管道71＇入口的惰性气体18确保颗粒一经从衬底表面70＇脱落就被移到下游。此外，也可由316不锈钢构成的反射器58被固定在管道71＇入口附近以防止辐射和气体倒流。
可以预料，也可以用液体而不是气体作为惰性媒质来带走通过辐照从狭窄的细长管道取下的沾污物。在从血管内壁清除瘢粒的过程中，这种修改是特别有用的。在这种应用中所加辐照的特征是其能量和持续时间应处在从被处理表面释放表面沾污物所需的量和可能损伤或从外部损伤脉管结构的量之间。
与细长的封闭管道相似，设备80，或更确切地说是缆道52和缆道接头53也可用来清洗诸如工作室内壁那样的更大的内壁。此时，缆道接头53可做成不带外翻，以便辐照和惰性气体沿缆道轴线从缆端直射出来。当横扫过这种表面时，可用手工或机械控制来引导该装置。
例如在图19中，工作室15″包括一个与缆道53的气体管道55连在一起的气体入口和气体出口25。在工作室中，装在基底83上的机械臂81提供了围绕被当作衬底被处理表面70的工作室内壁移动缆道接头53的装置。机械臂可作360°旋转，基底则可如箭头62所示上下移动，从而可处置工作室的整个内壁。当用缆道接头53的管道54和55将辐照和气体传送到衬底被处理的表面70时，沾污物被从表面取下并由重力和气流拉向出口25。
作为变通，图20示出了一个工作室清洗装置，其中的气体出口位于工作室的顶部。如图19中那样，装在基底83上的机械臂81提供了绕工作室内壁移动缆道接头53的装置。但此时重力不能使脱落的沾污物移向气体出口25。因此，如箭头55＇所示提供了一个第二气流来维持工作室15″底部的恒定湍流。这一第二气流产生延伸于整个工作室深度的向出口25的气体恒定运动。因而，当衬底表面70从底部到顶部被清洗时，沾污物被第二气流55＇产生的向上流动的气流携带并从出口25排出。可以预料，工作室15″可加上一个或多个第二气源以适应不同的工作室形状和气体出口位置(亦即侧面安装)。
除内壁外，缆道52和缆道接头53也可用来从不规则形状物体的外壁清除沾污物。例如在图21中，工作室15＇装有气体入口23和出口25以便大量气流18横穿工作室。在工作室中，装在基底82上的机械臂81提供了绕含有衬底被处理表面70的物体72移动缆道接头53的装置。转盘84使对物体72的整个表面70的接近简易化了。缆道接头53中的管道54和55将辐照和足量的气流传送到被处理的指定区域以便从衬底表面70取下沾污物。沾污物一经从被处理区取下，即进入大的气流18并经由出口25从工作室15＇被清除。如上所述，此排出的气体可用气体分析器和粒子探测器加以监视以方便辐照源14(未示出)选择能量和波长的调整。
图21的原理同样用到了图22，其中的物体73包括一个诸如绘画上所见的更为平整的衬底处理表面70。
可以预料不规则形状物体的外壁可用前述工艺成功地处理而不需使用工作室，这仅要靠管道51提供的气体。这种设备可做成手提式，其中用目测来度量去沾污是否足够而不用气体分析器和/或粒子探测器。
在有些不规则形状表面应用中，借助于将气体整个从辐照传输装置分开而改变设备80可能是有利的。例如，当从工作室内部清除沾污物时，可经由图23所示通过支架85在工作室中放置一个或多个诸如紫外灯之类的辐照源。当紫外灯照射工作室内部70(衬底被处理表面)时，可从一个或多个入口23提供气体18以便经由出口25将取下的沾污物从工作室15排出。气流18可如前所述用阀门22控制。或者，也可如图24所示经由管道50和机械臂81将辐照传送到工作室15的内部。
最后，如图25和26所示，可采用一排高能灯59来产生辐照，它们以足以剥落沾污物的辐照量基本笼罩着物体74的衬底被处理表面70。物体74可以是一辆装甲车，它被暴露于“活动房”屋85中的灯59的照射下，同时用风扇86加速的惰性气体18流过衬底表面70的上方。从空间位置上屏蔽的区域可逸出由风扇86或排灯59的辐照所产生的气体湍流，可使用一个或多个设备80(未示出)来接近这些区域。3、用重力实现的附加处理
在本发明设备和方法的另一实施例中，用提供一种在处理过程中可使衬底处于倒装位置的方法试图增加某些优点。通常，当沾污物从衬底表面剥落时，惰性气流倾向于带走沾污物，因而，避免可能赋予沾污物垂直于衬底表面的速度分量的气流条件，可以减少沾污物重新沉积在衬底上的机会。然而，若衬底安排成使被处理的表面位于最上方时，重力施加在被剥落的沾污物上的力将指向衬底表面，这倾向于加快重新沉积。于是，通常最好是将衬底安装成使被剥落的沾污物倾向于从衬底落开而不要落向衬底。但显然，当考虑另一些工艺因素时，倒装衬底可能是不可取的。
参照图33，通常认为衬底301常可包括大量的阱或空腔305，其中可能带有沾污物303。这种衬底特别适合于安装成倒装位置以便使重力起避免重新沉积的作用。以同前述相同的方式，与来自辐照源313的辐照309一起，向被处理表面提供了一个惰性气流307。辐照从石英窗口311通过。当然，必须提供某些诸如图27所示的真空管道216的装置以便将衬底保持在倒装位置。
显然，当腔305的外形尺寸比(深度比宽度)增加时，渗透到腔底部协助清除沾污物的惰性气流更少。为此也试图在树底301如图34和35所示那样倒装的情况下的处理过程中引入一个第二惰性气流315到主惰性气流307中。第二惰性气流315可大致垂直于衬底301平面而引进以便使额外的气流有助于辐照效应和主气流307从阱或空腔305剥离沾污物303。气流速度不要达到会干扰主气流307以致产生非层流(即湍流)条件的程度。如图41所示，可预料第二气流315会引入一个通常沿腔壁流经空腔305的气流325。虽然这可以认为牵涉到了气流再循环，而且气流有了垂直于总体表面的平面的速度分量，但局部看来，实际上它应该具有一个相当小的垂直于空腔壁和底的分量。这样，气流应当有助于沾污物的清除而不会加快重新沉积。
第二气流315可以以任一确定为最有助于剥落沾污物303的角度引入。同样，如上所述，可能最好是将入射辐照309定向为同衬底平面成一定角度以便以尽可能垂直的角度照射空腔的各个侧壁，从而增强沾污物从壁上的清除。当然，入射角将受腔的形状比的支配。

Claims (28)

1．一种用于从衬底的被处理表面清除表面沾污物同时保持被处理表面的晶体结构的方法，它包含下列步骤：
在横跨上述被处理表面上引入一个气流，上述气体对被处理表面来说是惰性的；以及
用高能辐照照射上述被处理表面，上述辐照的能量密度和持续时间足以从被处理表面释放表面沾污物而不足以改变被处理表面的晶体结构，
其特征在于，保持所述气流在衬底的整个处理表面处于层流状态，避免产生回流区。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的气体层流起源于被强迫通过位于上述被处理表面上游的过滤器的气流，从而在所述过滤器的整个出口平面产生实质上均匀的速率分布。
3．根据权利要求2的方法，其特征在于，所述的气体层流起源于被引入到设置在上述过滤器上游的混合室的气流。
4．根据权利要求1的方法，其特征在于，上述被处理表面与被配置成用来提供上述层流的气流管道的表面齐平。
5．根据权利要求4的方法，其特征在于，所述的衬底借助于真空被限制在气流管道的相应位置上。
6．根据权利要求4的方法，其特征在于，上述被处理表面以上述被处理的表面相对于重力以面朝下的方式安置在所述气流管道中。
7．根据权利要求6的方法，其特征在于，相对于上述层流以一定的角度向上述被处理表面引入一个第二惰性气流。
8．根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的层流起源于位于上述被处理表面上游的压缩机或泵的作用而增加的气流。
9．根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的层流起源于一个气流，该气流从安装衬底的小室的输入端口被引进来，并通过整个被处理表面的流道从所述小室的输出端口排出，所述通过所述输入和输出端口的气流则被控制得使其相应控制所述小室中的压力同时保持所述层流状态。
10．根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的层流被位于上述被处理表面下游的抽气泵抽至出口。
11．根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的气体层流是一个氩气层流。
12．根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的层流具有实质上均匀且实质上平行于被处理表面的速度分布横穿被处理表面。
13．根据权利要求1的方法，其特征在于，气流的引入包括往一个封闭腔内引入气流的过程，所述封闭腔的大小取得使所述层流通过位于封闭腔内的衬底的整个被处理表面时不致回流。
14．根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述封闭腔有一个椭圆形的侧壁部分，用于以不回流的形式将层流气流引到输出端口。
15．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气流的引入包括将气流引入一个具一个入口和一个出口的封闭腔的过程，所述方法还包括借助于将所述层流抽到所述出口的真空源在所述封闭腔内产生真空的步骤。
16．根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述过滤器的宽度横跨被处理表面的宽度延伸，从而使加压通入过滤器的气流产生横贯衬底被处理表面的宽度延伸的均匀而平行的速度气流分布。
17．一种用于从衬底被处理表面清除沾污物同时保持被处理表面的晶体结构的设备，它包含：
一个对被处理衬底来说是惰性的气体的气体通道；
一个用来支持上述衬底的上述被处理表面并用来从上述气体通道将上述惰性气体流引到上述被处理表面上方的外壳；以及
一个用具有足以从被处理表面释放表面沾污物而不足以改变被处理表面晶体结构的能量密度和持续时间的高能辐照照射上述被处理表面的辐照装置，
其特征在于，所述外壳中形成有流道，衬底即安置在所述流道中，且所述外壳的流道，其尺寸取得使所述气流在衬底的整个被处理的表面保持层流状态，避免产生回流区。
18．根据权利要求17的设备，其特征在于，所述外壳的流道包括一个用来容纳上述被处理衬底的凹槽。
19．根据权利要求17的设备，其特征在于，在上述流道的入口区处安置了一个过滤组件，用来在上述层流中产生一个实质上均匀且实质上平行于上述被处理表面的速度分布。
20．根据权利要求19的设备，其特征在于，所述的外壳包括一个用来混合来自上述气体通道的气流的混合室，上述混合室安置在上述过滤组件的上游。
21．根据权利要求18的设备，其特征在于，所述的外壳包括一个用来将上述衬底保持在上述凹槽中的真空机构。
22．根据权利要求17的设备，其特征在于，所述的外壳包括一个用来使上述被处理表面相对于重力面朝下地固定的凹槽。
23．根据权利要求21的设备，其特征在于，所述的外壳包括用来将第二惰性气流引至上述被处理表面的装置，上述第二惰性气流相对于上述被处理表面以一定的角度指向上述被处理表面。
24．如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述凹槽在所述流道的一个平面表面上形成，其深度和周边与待装入所述凹槽内的衬底相适应，从而使衬底的被处理表面在凹槽中就位时与平面表面齐平。
25．如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述外壳有一个封闭腔，形成从外壳的入口延伸到出口的一个流道，引入的气体即通过所述流道流通，且所述流道的尺寸取得使气流在横贯所述被处理表面流通并进一步向下游流至所述外壳出口时不致回流。
26．如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述封闭腔有一个下游端与所述外壳出口连通，所述下游端有一个外形呈椭圆形的侧壁，起防止层流气流回流的作用。
27．如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述外壳有一个封闭腔，在所述外壳的输入端口与输出端口之间延伸形成流道，所述设备还有一个控制装置，用于通过控制所述输出端口的下游、所述输入端口的上游或该两处的气流来控制流道内压力的大小和气流的速度。
28．如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述过滤组件的宽度足以在所述流道的整个宽度产生均匀而平行的气流速度分布。
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